车载式放射性探测系统的性能与检测方法

陆小军 忻智炜 宋家斑 李小双 韩刚 唐方东/上海市计量测试技术研究院

0 引言

车载式放射性探测系统是一种安装在车辆上，根据计数率或剂量率等随移动方向梯度变化探寻放射性物质/放射源位置的放射性探测系统，是远距离探测放射性物质，搜寻、探查、确定未知放射源的有力手段。根据不同的应用，国内外的车载式放射性探测系统有多种类型，其中基于γ能谱测量模式的车载放射性探测系统还可以根据能谱分析功能确定放射源核素种类、活度乃至计算γ剂量率。由于其机动性强、反应迅速，在辐射环境监测、铀矿勘探、核与辐射事故应急和放射源搜寻中得到广泛的应用。2007年环境保护部发布《全国辐射环境监测与监察机构建设标准》，将车载式放射性探测系统列入配置对象[1]。

对于车载放射性探测系统的刻度及巡测技术，已有相关研究[1-4]的报道，但相关研究结果尚不能满足各类车载式放射性探测系统计量性能评价的要求，也还未形成国标和国家计量技术规范。目前国内环保、安监和核电部门主要参考核工业行业标准EJ/T980-1995中推荐的方法对车载式放射性探测系统作性能检测。

1 车载式放射性探测系统的类型及性能特点

20世纪80年代，美国、加拿大和日本就已研制出车载式大体积碘化钠γ谱仪探测系统，用于核电站及核设施周围的环境辐射水平监测。近年来国内企业也研发生产多款能够满足各种监测需求的车载式放射性探测系统，可归结为以下几种类型：

图1 车载式放射性探测系统

1）γ能谱式：此类型一般选用碘化钠晶体，并根据碘化钠晶体的大小划分为大体积和小体积型探测系统（当晶体体积大于4 L时，定义为大体积探测系统）。优点是可以测量能谱，并根据算法计算环境剂量率，识别放射性核素，为早期环保、资源勘查以及核电等部门采购的车载式放射性探测系统主要类型。缺点是小体积碘化钠探测系统因为固有的探测效率低，在对环境进行巡测时，获取能谱时间长，并不适合核应急及放射源搜源等机动性要求高的场合，而大体积碘化钠晶体则价格昂贵。

2）塑料闪烁体式：该类型纯粹利用塑料闪烁探测器探测效率高且不潮解的特点，价格低廉，能量分辨力差，主要用来测量放射性的强度，因此一般广泛应用与海关和出入境放射性监测中。

3）塑料闪烁体加γ谱仪（正比计数器）式：该类型结合了以上两种类型的优势，既具备放射性强度的监测，又能满足放射性核素的识别，且不受碘化钠晶体大小的限制。根据使用目的和要求，还可以选配GM管，用于高剂量率的测量，为目前国内外主要设备类型。表1列出了目前国内外主要的5种车载式放射性监测系统及其具体技术参数。

表1 国内主要的放射性探测系统及性能参数

2 现行检测方法及存在的问题

车载探测系统对辐射源的探测效率很大程度上取决于探测器的几何结构、车辆内的屏蔽元件和谱仪系统布置差异。针对γ谱仪式车载放射性监测系统，IAEA-TECDOC-1363号技术报告[5]推荐了其在探测地表中铀、钍、钾等天然核素含量时的计算方法。为了提高探测结果的准确性，参照航空放射性探测系统，提出了7项数据修正。我国核工业系统于1995年制定行业标准EJT 980-1995《车载伽马能谱测量规范》，其中对γ能谱式放射性监测系统的标定方法作了详细的说明[6]，与IAEA推荐的标定方法一致，其关键是通过采用大体积航空放射性标准测量模型，得到车载大体积γ谱仪对天然核素U、Th、K核素的灵敏系数，实现对监测系统的标定。计算公式如下：

式中：N——测量所得能谱中各能窗的计数率矩阵；

S——探测器各能窗对核素的灵敏因子矩阵；

C——各标准模体中U、Th、K核素的含量矩阵

即：

式中：Nij——j（K、U、Th）核素在i（K、U、Th）能量窗的产生的净计数率，s-1；

Sij——j（K、U、Th）核素在i（K、U、Th）能量窗的灵敏因子，s-1·g-1·kg；

Cij——j（K、U、Th）标准模体中i（K、U、Th）核素的含量，g·kg-1

根据式（1）和式（2），可计算得到灵敏因子矩阵S，求其逆矩阵S-1，即可根据式（3）计算混合标准体模型中的U、Th、K含量，来完成设备的标定。

令A=S-1，则C=AN，即：

因此，对于（1）型车载式放射性探测系统，现行检测方法关键在于建立U、Th、K标准模体、本底模体和混合模体，根据谱仪的能量窗净计数率求得灵敏因子矩阵S。而对于常规环境辐射监测及核应急、放射源搜寻用途的（2）、（3）类车载式放射性监测系统，目前尚无公开发表的性能评价方法。

综上所述，核工业行业标准EJT 980-1995侧重于对γ能谱测量模式车载放射性探测系统探测效率的标定，缺乏对设备其他各项性能参数的评价方法。由于标定方法中每个天然核素标准体模型面积高达120 m2，对试验场地要求高，推广难度大，目前公开发表的仅有石家庄航测遥感中心和中国工程物理研究院有相应的模体。

EJT 980-1995不适用于类型（2）和类型（3）车载式放射性探测系统的校准，并且车载式放射性探测系统因其设计多样、使用场景复杂，其性能的可靠性并非通过传统的单项校准技术能够保证，因而不能满足日益增长的辐射环境监测和核应急及辐射安全监测的实际需求。

3 分析与建议

作为辐射环境质量监测和核与辐射事故应急监测的主要技术设备，车载式放射性探测系统设计多样，工作环境复杂多变，探测距离、响应角度、探测下限、对复杂放射源的甄别能力等均会影响其放射性探测的准确性与可靠性。车载式放射性探测系统的性能检测应包括在规定测量条件下的剂量响应和对特定放射性核素活度响应及其非线性、角度响应、能量响应，对于γ能谱测量模式车载放射性探测系统，还需要检测其核素识别能力。

针对车载式放射性探测系统的应用情况，现场检测是最合理的检测方式；测量标准为点状γ放射性核素参考源，便携式检测装置应具备多维移动、定位、测距等功能。为此，有必要研发适用于多种类型车载式放射性探测系统，毋须拆卸即可进行现场检测的技术方法，制定计量技术规范，科学评价车载式放射性探测系统的技术性能，以保证其量值的准确可靠。同时，也可为环保、安监和核电等部门采购适应于自身需求的相应设备提供技术参考。